45-土壤中放射性核素的γ能譜分析方法-(GB-11743-89)

GB11743—89PAGEPAGE336中華人民共和國國家標準土壤中放射性核素的γ能譜分析方法GB11743-89Gammaspectrometrymethodofanalysingradionuclidesinsoil1主題內(nèi)容與適用范圍本標準規(guī)定了使用高分辨半導體或NaI(Tl)γ能譜分析土壤中天然或人工放射性核素比活度的常規(guī)方法。本標準適用于在實驗室用γ譜儀分析土壤中放射性核素的比活度。待測樣品的計數(shù)率小于105cpm，活度應高于譜儀的探測限。2術語2.1半寬度fullwidthathalfmaximum在僅由單峰構成的分布曲線上峰高一半處兩點間以能量或道數(shù)為單位的距離。2.2能量分辨率energyresolution對于某一給定的能量，輻射譜儀能分辨的兩個粒子能量之間的最小相對差值的量度。在一般應用中,能量分辨率是用譜儀對單能粒子測得的能量分布曲線中峰的半高寬除以峰位所對應的能量來表示。2.3本底計數(shù)率backgroundcountrate在γ能譜中，除樣品的放射性外，其他因素引起的計數(shù)率。2.4探測限lowerlimitofdetection在給定的置信度下，譜儀可以探測的最低活度。2.5探測器效率detectorefficiency探測器測到的粒子數(shù)與在同一時間間隔內(nèi)射到探測器上的該種粒子數(shù)的比值。2.6探測效率detectionefficiency在一定的探測條件下，測到粒子數(shù)與在同一時間間隔內(nèi)輻射源發(fā)射出的該種粒子總數(shù)的比值。3儀器裝置3.1γ譜儀3.1.1探測器3.1.1.1碘化鈉探測器〔NaI(Tl)〕:可用尺寸不小于7.5cm×7.5cm的圓柱形NaI(Tl)探測器測量土壤樣品。最好選用低鉀NaI(Tl)晶體和低噪音光電倍增管。整個晶體密封于有透光窗的密封容器中，晶體與光電倍增管形成光耦合。探測器對137Cs的661.6keV光峰的分辨率應小于9%。3.1.1.2半導體探測器：可根據(jù)γ射線能量范圍采用不同材料和不同類型的半導體探測器。測量土壤樣品最好采用單端同軸鍺鋰或高純鍺探測器，其對60Col332.5keVγ射線的能量分辨率應小于3keV,相對探測效率不低于15%。中華人民共和國衛(wèi)生部1989-10-06批準1990-07-01實施3.1.2屏蔽探測器裝置應置于等效鉛當量不小于10cm的金屬屏蔽室中，屏蔽室內(nèi)壁距晶體表面的距離大于13cm，在鉛室的內(nèi)表面應有原子序數(shù)逐漸遞減的多層內(nèi)屏蔽材料，可由0.4mm的鉛、1.6mm的鎘及2～3mm厚的有機玻璃等組成。屏蔽室應有便于取、放樣品的門或孔。3.1.3高壓電源應有保證探測器穩(wěn)定工作的高壓電源，其紋波電壓不大于±0.01%,對半導體探測器高壓應在0～5keVL連續(xù)可調(diào),不能有間斷點。3.1.4譜放大器應有與前置放大器及脈沖高度分析器匹配的具有波形調(diào)節(jié)的放大器。3.1.5脈沖高度分析器NaI（Tl）譜儀的道數(shù)應不少于256道，對于高分辨半導體γ譜其道數(shù)應不少于4096道。3.1.6讀出裝置有多種可供選擇的讀出裝置。如：記錄儀、XY繪圖儀、打印機、圖象數(shù)字終端等。3.1.7分析計算裝置γ譜系統(tǒng)可與專用機或微機等計算機聯(lián)接，通過計算機處理譜數(shù)據(jù)。3.2測量容器根據(jù)樣品的多少及探測器的形狀、大小選用不同尺寸及形狀的樣品盒，如：容器底部等于或小于探測器直徑的圓柱型樣品盒或與探測器尺寸相匹配的環(huán)形樣品盒。容器應選用天然放射性核素含量低的塑料制成，如ABS或聚乙烯。4γ譜儀的刻度4.1能量刻度用含有已知核素的刻度源來刻度γ能譜系統(tǒng)的能量響應。能量刻度范圍應從50～3000keV。適于能量刻度的單能或多能核素有：241Am(59.5keV)、133Ba(81.0keV)、109Cd(88.0keV)、57Co(122.1keV)、141Ce(145.4keV)、51Cr(320.1keV)、137Cs(661.6keV)、54Mn(834.8keV)、60Co(1173.2keV、1332.5keV)、208T1(2614.7keV)及發(fā)射多種γ射線的152Eu等，能量刻度至少包括四個能量均分布在所需刻度能區(qū)的刻度點。記錄刻度源的特征γ射線能量和相應全能峰峰位道址，可在直角坐標紙上作圖或?qū)?shù)據(jù)作最小二乘直線或拋物線擬合。如果非線性超過0.5%就不應作樣品分析。譜儀的穩(wěn)定性好，則變化的可能性就小。4.2效率刻度全能峰效率是觀察到的指定能量γ射線全能峰面積（計數(shù)率）與該光子發(fā)射的幾率的比值。對于土壤樣品需用鈾、鐳、釷、鉀的體標準源進行效率刻度。用作效率刻度的標準源其幾何形狀要與被測樣品相同，基質(zhì)密度和有效原子序數(shù)要盡量與被測樣品相近。探測器對入射在它上面的γ射線的探測器效率與γ射線能量的函數(shù)。求出若干個（i）不同能量單能γ射線的全能峰探測效率后可在坐標紙上作出探測效率與γ射線能量的關系曲線（效率曲線）或用計算機對實驗點作加權最小二乘法曲線擬合求效率曲線。在50～3000keV范圍內(nèi)用n次對數(shù)多項式擬合可達到很好的效果。表達式如式（1）：n-1∑i=01nε=(1nEr)in-1∑i=0式中：ε——實驗效率值；Er——相應的γ射線能量;——擬合常數(shù)。效率刻度不確定度應小于±2%。5體標準源的制備γ能譜效率刻度用的體標準源必須滿足均勻性好、核素含量準確、穩(wěn)定、密封等要求。體標準源是用模擬基質(zhì)加某種特定核素的標準溶液或標準礦粉均勻混合后制成，不均勻性小于±2%。5.1選用放射性本底低,容易均勻混合,與待測樣品密度相近的物質(zhì)作為模擬基質(zhì)。對于填充密度在0.8～1.6g/cm3的土壤樣品的體標準源以一定比例的氧化鋁和二氧化硅做為模擬基質(zhì)量為合適。5.2體標準源的活度要適中,一般為被測樣品的10～30倍,具體倍數(shù)根據(jù)樣品量的多少及強弱而定。5.3制備好的鈾、鐳體標準源應放入樣品盒中密封3～4周，使鈾、鐳和它們的短壽命子體達到平衡后再測量。5.4體標準源的總不確定度應控制在±5%以內(nèi)。6樣品的制備剔除雜草、碎石等異物的土壤樣品經(jīng)100℃烘干至恒重,壓碎過篩(40～60目)稱重后裝入與刻度譜儀的體標準源相同形狀和體積的樣品盒中,密封,放置3～4周后測量。7測量應測量模擬基質(zhì)本底譜和空樣品盒本底譜，在求體標準源全能峰凈面積時，應將體標準源全能峰計數(shù)減去相應模擬基質(zhì)本底計數(shù)，土壤樣品的全能峰計數(shù)應扣除相應空樣品盒本底計數(shù)。測量刻度源時，其相對于探測器的位置應與測量土壤樣品時相同。測量時間根據(jù)被測標準源或樣品的強弱而定。標準源的測量計數(shù)統(tǒng)計誤差應小于±2%,土壤樣品中放射性核素的計數(shù)統(tǒng)計誤差要求鈾小于±2%,鐳、釷、鉀小于±10%，137Cs要求小于±15%，置信度為95%。8γ譜分析方法8.1相對比較法求解樣品中放射性核素比活度。用各種計算機解譜方法如：總峰面積法、函數(shù)擬合法、逐道最小二乘擬合法等，計算出標準源和樣品譜中各特征光峰的全能峰面積，然后按式（2）計算出各個標準源的刻度系數(shù)Cji。第j種核素體標準源的活度（Bq）第j種核素體標準源的第i個特征峰的全能峰面積（計數(shù)/s）Cji第j種核素體標準源的活度（Bq）第j種核素體標準源的第i個特征峰的全能峰面積（計數(shù)/s）那么被測樣品的第j種核素的比活度Qj（Bq/kg）為：CCji（Aji-Ajib）W·DjQj=……………………（3）式中：Aji——被測樣品第j個特征峰的全能峰面積，計數(shù)/s；Ajib——與Aji相對應的光峰本底計數(shù)率，計數(shù)/s；W——被測樣品的凈干重，kg；Dj——第j種核素校正到采樣時的衰變校正系數(shù)。這種方法適用于有待測核素體標準源可以利用的情況。8.2由效率曲線求解樣品中核素的比活度。根據(jù)效率刻度后的效率曲線或效率曲線的擬合函數(shù)求出某特定能量γ射線所對應的效率值,然后用式(4)計算核素的比活度Qj(Bq/kg):AAji-AjibPji·ηi·W·DjQj=……………（4）式中：ηi——第i個γ射線特征峰所對應的效率值；Pji——第j種核素發(fā)射第i個γ射線的幾率。Aji、Ajib、W和Dj的意義同8.1所述。該方法適用于沒有待測核素體標準源而有效率曲線可利用的情況。8.3用逆矩陣法求解核素含量。土壤中天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40k和裂變產(chǎn)物137Cs的比活度也可用逆矩陣法求解并能較準確地求出238U含量。用該方法必須首先確定響應矩陣。確定響應矩陣的所有標準源核素必須包括待求樣品中的全部待求核素。不同核素所選特征道區(qū)不得重合。特征道區(qū)選擇原則為：a.對于發(fā)射多種能量γ射線的核素，特征道區(qū)應該選擇分支比最大的γ射線全能峰區(qū)；b.如果幾種能量的γ射線的發(fā)射幾率差不多，那么就應選擇其他核素γ射線的康普頓貢獻少的能量高的γ射線峰區(qū)；c.如果兩種核素發(fā)射幾率最大的γ射線峰重疊，那么其中一種核素就只能取其次要的γ射線作為特征峰；d.特征道區(qū)寬度的選取是使多道分析器的漂移效應以及相集鄰峰的重疊保持最小。正確選擇特征道區(qū)是逆矩陣法解析γ能譜的基礎。用逆矩陣求解土壤中放射性核素的比活度，一般各核素選用的特征道區(qū)為92.6keV(238U)、352keV或609.4keV(226Ra)、238.6keV或583.1keV(232Th)、1460.8keV(40K)和661.6keV(137Cs)。在求得多種核素混合樣品的γ譜中某一特征道區(qū)的凈計數(shù)率后，樣品中的j種核素的比活度Qj（Bq/kg）可計算如式（5）：m∑im∑i=11WDj1WDjα-1ijCiQj=Xα-1ijCij=1,2,……，m式中：αij——j種核素對第i個特征道區(qū)的響應系數(shù)；Ci——混合樣品γ譜在第i個特征道區(qū)上的計數(shù)率;Xj——樣品中第j種核素的活度，Bq。W、Dj的意義同8.1。逆矩陣法主要用于樣品中核素成分已知而能譜又部分重疊的情況。在用NaI（T1）γ譜儀分析土壤樣品的場合，逆矩陣法及與其類似的方法常能給出較好結(jié)果。8.4用8.1或8.2的方法分析γ譜時,對226Ra可選352.0、609.4、1120.4、1764.7keV，對232Th可選用238.6、583.1、911.1、2614.7keV，它們的結(jié)果應在計數(shù)誤差范圍內(nèi)一致。226Ra和232Th的比活度可由所選各特征光峰結(jié)果的平均值給出。8.5干擾和影響因素在含復雜γ輻射體的混合物中測定一種核素時，其他核素的干擾程度由幾個因素決定。如果多種核素從輻射計量角度可以認為是以近似相等的比例存在，那么在光峰不能完全分辨時，將呈現(xiàn)干擾，如果多種核素從輻射計量角度被認為不相等的比例存在于混合物中，并且較高γ能量的核素占了優(yōu)勢，那么在解釋γ譜中較低量的小峰時存在嚴重的干擾。例如：鈾系的主要γ射線是234Th的92.6keV，然而釷系有一個93.4keV的X射線,當被測樣品釷核素含量高時則93.4keV的X射線峰將對鈾系的92.6keV的峰產(chǎn)生嚴重干擾。譜儀系統(tǒng)的本底是另一重要干擾因素，另外樣品的密度也影響分析結(jié)果?？刹扇≈胤宸治?、屏蔽、扣本底、密度校正等措施來減少各種因素對結(jié)果的影響。9報告9.1報告土壤樣品分析結(jié)果時應報告樣品中活度超過探測限的所有核素的比活度及相應的計數(shù)標準差,并注明所采用的置信度(95%置信度)。其他如解譜誤差、刻度誤差等也需要在報告中注明。9.2標準差So可用式(6)計算:NNst2sNbt2bSo=+…………………（6）式中:Ns——全能峰或道區(qū)計數(shù)；Nb——相應的本底計數(shù)；ts——樣品計數(shù)時間；tb——本底計數(shù)時間。附錄Aγ能譜分析中的逆矩陣法(參考件)在多種核素混合樣品的γ能譜中,某一能峰特征道區(qū)的計數(shù)率除了該峰所對應的核素的貢獻外,還疊加了發(fā)射更高能量γ射線核素的γ輻射的康普頓貢獻,以及能量接近的其他同位素γ射線的光電峰貢獻,因此混合γ輻射體的γ譜扣除空樣品盒本底后,某一能峰道區(qū)的計數(shù)率應是各核素在該道區(qū)貢獻的總和,即:mm∑j=1Ci=αijXji=1,2,…，m……………（A1）式中：j——混合樣品中核素的序號；i——特征道區(qū)序號；m——混合樣品所包含的全部核素種數(shù)；CI——混合樣品γ譜在第i個特征道區(qū)上的計數(shù)率；Xj——樣品中第j種核素的未知強度；αij——第i個特征道區(qū)對第j種核素的響應系數(shù)，可按式（A2）計算。第第j種核素標準譜在第i特征道區(qū)上的計數(shù)率第j種同位素標準源的衰變數(shù)（活度）αij=…………（A2）式（A1）可寫為：mm∑i=1Xj=αijXji=1,2,…，m………………（A3）由實驗可測定響應矩陣αij，從而求得逆矩陣α-1ij，因此只需測得樣品各個相應的特征道區(qū)的計數(shù)率就可計算出各種核素的活度。當土壤中含有且僅含有天然放射性核素和137Cs時通過5個特征道區(qū)的逆矩陣程序可同時求出土壤中238U、232Th、226Ra、40K和137Cs的活度。附錄Bγ能譜分析的探測下限(參考件)由于土壤中放射性核素的比活度一般來說很低，土壤中放射性核素的γ能譜分析是在很強的隨機漲落的干擾存在情況下的弱放射性測量。一個γ能譜的探測下限（LowerLimitofDetection,或LLD）是在給定置信度情況下該系統(tǒng)可以有把握探測到的最低活度。探測下限可以近似表示為：LLD≈(Kα+Kβ)So……………………（B1）式中：Kα——與預選的錯誤判斷放射性存在的風險幾率（α）相應的標準正態(tài)變量的上限百分位數(shù)值；Kβ——與探測放射性存在預選置信度（1-β）相應的值；S0——凈樣品放射性的標準偏差。如果α和β值在同一水平上,則Kα=KβLLD≈2KSo……………………（B2）如果總樣品放射性與本底接近，則可進一步簡化：2.83KtbLLD≈2√2KS本底=√Nb………（B3）2.83Ktb式中：tb——本底譜測量時間；Nb——本底譜中相應于某一全能峰的本底計數(shù)。對于不同的α值,K值如表B1所列:表B1α1-βK2√2K0.010.020.050.100.200.500.990.980.950.900.800.502.3272.0541.6451.2820.84206.595.814.663.632.380式（B3）中探測限是以計數(shù)率為單位的?？紤]到核素特性、探測效率、用樣量，即可把計數(shù)率轉(zhuǎn)換成活度表示的探測下限。附錄Cγ射線發(fā)射幾率大于1%的天然放射性核素表(參考件)表C1能量，keV核素幾率，%半衰期產(chǎn)生方式63.374.8X74.8X75.0X77.1X77.1X84.4X87.3X234Th214Pb212Pb208T1214Pb212Pb228Th214Pb3.96.310.71.310.718.01.24.8LLLLLLLL238U238U232Th232Th238U232Th232Th238U續(xù)表C1能量，keV核素幾率，%半衰期產(chǎn)生方式87.3X90.0X92.6D93.4X99.6105.0X109.3X129.1143.3163.4185.7186.0205.3209.5238.6241.0241.9270.2277.2295.2300.6328.0338.5352.0409.5463.0510.7583.1609.4665.6727.2755.1768.4771.9212Pb228Ac234Th228Ac228Ac228Ac235U228Ac235U235U235U226Ra235U228Ac212Pb224Ra214Pb228Ac208T1214Pb212Pb228Ac228Ac214Pb228Ac228Ac208T1208T1214Bi214Bi212Bi228Ac214Bi228Ac8.02.15.63.51.31.61.42.510.54.854.03.64.74.145.04.07.33.82.418.73.43.312.336.62.14.79.030.045.01.67.01.15.01.7LLLLLL71×107αL71×107α71×107α71×107α16.02×102α71×107αLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL232Th232Th238U232Th232Th232Th天然232Th天然天然天然天然天然232Th232Th232Th238U232Th232Th238U232Th232Th232Th238U232Th232Th232Th